基于GMP的單向流設計

李立英

（廣東輕工職業技術學院 食品學院，廣東 廣州 510030）

隨著2011年3月1日起新版藥品生產質量管理規范（Good Manufacturing Practice，GMP）的實施，藥品生產與國際的接軌，對藥品生產企業GMP的認證提出了更嚴格的要求，尤其是潔凈廠房方面。無菌的藥品生產所需的潔凈區，按GMP可分為4個級別[1]：比如，灌裝區、放置膠塞桶、敞口安瓿瓶、敞口西林瓶的區域及無菌裝配或連接操作的區域，這些區域都為A級為高風險操作區。A級高風險區如何來保證它的潔凈流？目前企業通常用層流操作臺（罩）來維持該區的環境狀態，就是層流系統在其工作區域必須均勻送風。由此可見，潔凈室送風和回風設計是影響潔凈室是否達標的關鍵因素。

什么是單向流？單向流是指室內空氣朝著同一個方向，并且以穩定均勻以及足夠的速率流動。單向流能夠持續清除關鍵操作區域空氣室內的顆粒。單向流按空氣流動方向，可分為水平單向流和垂直單向流（見圖1）。垂直單向流是高級別潔凈室應用最廣泛的一種氣流流型。

圖1 垂直單向流和水平單向流

按照回風口的位置，可以分為上回風、側回風、下回風幾種方式。

垂直單向流中，下回風（見圖2a）的氣流均勻通過工作面，沒有死點，流型最好，臺面或地面使用格柵或不銹鋼板鉆孔，在保證強度的前提下盡量增加開孔面積，因為空氣射到未開孔處的臺面后會反彈，操作面應布置在比臺面高一些的位置。

如果由于土建、設備的原因不能采取下回風的方式，則考慮采用側面下部回風的方式，如圖2b所示，在近地面遠離回風口處風速低，塵埃粒子不易帶走，在靠近回風口處風速高，但有可能將房間內及地面的塵埃粒子帶起來，對生產造成污染，所以操作面要布置高一點。

如果距墻較遠，不易布置下回風和下側回風，考慮在高效過濾器側面的不銹鋼板上開孔回風，采用上側回風的方式，如圖2c所示，風機濾網單元（Fan Filter Units，FFU）就常用上側回風的方式，為防止氣流短路，采用固定隔斷或活動圍簾的方式，引導氣流經過操作面。

回風口在上部（如吊頂板）的方式是上回風，如圖2d所示，上回風方式在單向流中應用較少。部分原因是塵埃粒子較重，在空氣中有沉降的趨勢。

圖2 單向流回風方式

1 單向流的組成結構

單向流通常由回（排）風、初中效過濾器、風機、高效過濾器、圍護結構等組成（見圖3）。

室內的空氣經回風口，初效過濾器過濾后，風機提速加壓，再經過高效過濾器，送到工作區，回到回風口，完成循環?；仫L口一般采取百葉風口，初效過濾器采用無紡布，風機使用低噪音離心風機，高效過濾器是單向流系統中的核心，塵埃粒子由高效過濾掉，保證潔凈度要求，一般使用H14級別的高效過濾器，任意點掃描過濾效率99.97%。一般在潔凈室內高效空氣過濾器（或超高效空氣過濾器）安裝在頂棚或側面，氣流從送風口到回風口，流經的斷面沒有發生很大的變化，并且潔凈室一般都用送風靜壓箱和高效過濾器進行均壓，這樣使得潔凈室各個斷面上的流速比較一致，在工作區內流線基本保持單向平行，沒有發生渦流。因為它是依靠潔凈氣流的作用力，將潔凈區內臟空氣沿整個斷面排至室外，不是靠傳統的潔凈氣流對潔室內臟空氣的稀釋攪拌作用而達到凈化的目的。所以，前聯邦德國有人稱單向流潔凈室的氣流為“活塞流”，“平推流”前蘇聯稱之為“被擠壓的弱空氣射流”。干凈空氣就好比一個空氣活塞，沿著房間這個“氣缸”，向前（下）推進，而使塵粒只能前（下）進，沒有返回，把原有的含塵濃度高的空氣擠壓出房間。

圖3 單向流的結構

2 單向流的驗證

安裝結束后，需要對單向流進行驗證，證明氣流穩定均勻，速度滿足要求，符合潔凈度的要求。驗證項目通常有氣流速度[2]、檢漏、氣流的流型、塵埃粒子數。

2.1 氣流速度

氣流速度的選擇原則應該使整個氣流均勻流動不發生滯留。氣流速度應能抵抗人員活動、熱浮升的干擾，對于垂直單向流潔凈室橫斷面的斷面風速Vd可參考下述數值：

①室內無人或經常處于無人狀態 0.1～0.15 m/s。

②一般情況l～4級 0.25～0.35 m/s，ISO 5級 0.2～0.35 m/s。

③有上升熱氣流（流速為Vr）時，Vd＞Vr。

④考慮人員舒適Vd＜0.5 m/s。

⑤ 工藝有特殊要求時按工藝要求確定。

使用熱球式風速儀，測試高效下方多點的風速，取點數由驗證方案確定，要滿足國家法規規定。逐一測試高效，記錄測試值，開放式單向流需要滿足0.36～0.54 m/s的要求。

在驗證這個氣流速度時，應對相鄰高效過濾器的風速進行均一性比較。

2.2 檢漏

為了證明高效過濾器效率滿足要求，安裝接縫無泄露，需要對高效過濾器進行檢漏。常用的檢漏方法有PAO法，原理是在高效過濾器前氣溶膠發生器發煙，與空氣混合均勻，再測試高效過濾器前上游濃度ρ0，高效過濾器后下游濃度ρ1，得到過濾效率：

如果η≥過濾器標示效率，則過濾器及安裝滿足要求。

根據檢測方法的不同又分為計數法和計重法：測試濃度的儀器使用氣溶膠光度計是計算氣溶膠的重量，屬于計重法；測試濃度的儀器使用塵埃粒子計數器是測試塵埃粒子個數，屬于計數法，例如MPPS，可以找到最易穿透過濾器的粒徑。

2.3 氣流的流型

各種規范都規定單向流的一個要素是氣流平行。這一點到目前為止仍被堅持。然而實踐證明這也是完全沒必要的。我們知道，只要整個氣流中的流線（跡線）不交叉就不會形成渦流區。塵粒就會沿著跡線（流線）排走，而不會被滯留，或改行其他跡線。那么，兩個流線之間在什么情況下形成渦流呢?對此，尚無定論。流體力學中的漸擴管的局部阻力損失，經推算當擴散角為5～8°最小。這就意味著當擴散角為5～8°時只有流速分布改變形成的損失，而基本無旋渦區損失。所以理論上當兩個流線的夾角小于5～8°時，則不會形成渦流；由此推論只要送風口的出流中，相鄰的流線擴張角小于5～8°。

除了要滿足單向流潔凈室3項特性指標的要求外，還應滿足《潔凈室施工及驗收規范》（JGJ 71—90）規定的回風口風速不應大于2.0 m/s，并且回風口高度和潔凈室室寬的比值應大于或等于0.1的條件。在一般應用中，回風口設在低于工作區下限高度0.8 m以下。藥廠氣流流行檢測的目的及方法測點布置：垂直單向流（層流）潔凈室選擇縱、橫剖面各一個，以及距地面高度0.8 m、1.5 m的水平面各1個。

水平單向流（層流）潔凈室選擇選擇縱剖面和工作區高度水平面各1個，以及距送回風墻面0.5 m和房間中心處等3個橫剖面，所有面上的測點間距均為0.2～1 m。使用發煙筆、干冰等產生煙霧，用攝像機拍攝煙霧流向。移動發煙源，記錄高效下每一點的煙霧流動，證明氣流流型符合GMP的要求。靜態、動態下均需驗證。

2.4 塵埃粒子數

潔凈區/潔凈室塵埃粒子的測試方法是采用計數濃度法，即通過塵埃粒子計數器測定潔凈環境內單位體積空氣中含大于或等于某粒徑的懸浮粒子數，來評定潔凈室（區）的懸浮粒子潔凈度等級。確認潔凈室（區）送風量和壓差達到要求后，潔凈室的溫度和相對濕度應與其生產及工藝要求相適應。靜態測試時，室內的測試人員不得多于2人，單向流，測試應在凈化空氣調節系統正常運行。時間不少于10 min后開始。采樣點一般在離地面0.8 m高度的水平面上均勻布置；采樣點多于5點時，也可以在離地面0.8～1.5 m高度的區域內布置，但每層不少于5點。確認潔凈室送風量和壓差達到要求后，進行采樣。單向流采樣時計數器采樣管口朝向應正對氣流方向，證明滿足潔凈室要求。

3 單向流的設計

單向流[3-5]形式多樣，在設計中要注意以下幾點：基于對生產成本和系統潔凈效果以及穩定性的考慮，現代醫藥行業的A級潔凈層流區域的建設基本上是由FFU層流罩來建造的。而傳統的層流罩，由于其存在著一系列難以解決的弊端和缺陷，比如產生層流方面，風機方面，整個系統只有一臺風機，這對風機的要求非常高。一旦風機出故障，整個系統就會陷入癱瘓無法運行。密封性方面。無論是箱體中的中效還是末端的高效，由于固定方式的局限，很容易產生泄漏。氣流的泄漏是沒有辦法彌補的，對于整個系統來說是一個致命的缺陷，將直接影響到保持系統的潔凈度，會增加廠家生產成本。而一旦產生泄漏，在系統中安裝壓差表是沒有任何意義的。以及壽命、噪聲、維護方面的不理想，幾乎已經退出了潔凈系統的建造主流。所以現在大部采用自帶風機的FFU和外置風機吊頂系統。FFU是末端送風裝裝置，這種裝置自帶動力、并且把所有過濾功能模塊化。風經經過FFU頂部將空氣吸入并經HEPA過濾，過濾后的潔凈空氣在整個出風面以（0.45±20）%的風速均勻送出。氣流通過高效過濾器后，距離操作點越遠，速度損失越大，所以在保證生產、維修的必要空間條件下，高效過濾器盡量放低。之前的設計是FFU吊在吊頂下，外置風機跟吊頂平，設備上方的單向流限制使用FFU，現在也有用框架將外置風機放低，不銹鋼板隔斷的樣例。使用固定隔斷或活動圍簾將操作區隔開，圍簾的下沿一般比操作面低100 mm。

單向流的目的是保護生產過程，將微粒迅速帶走，設計時要讓氣流先通過操作點，例如灌裝時，避免在灌裝點氣流前方布置支架、接管等易積塵、產塵部件。用SOP規范生產、維修操作，不得在灌裝點上方傳遞物件，不得讓身體經過灌裝點上方。紊流除塵埃粒子的原理是空氣置換、將室內塵埃粒子濃度稀釋，單向流除塵埃粒子的原理是靠速度，將塵埃粒子帶走，所以要保證速度。單向流區域與背景區的壓差要根據使用情況來設計。象灌裝等生產高風險區，單向流區域對背景區應正壓，稱量等產塵區域，單向流區域對背景區應負壓，有毒有害物質產生的環節，應使用密閉隔離操作器或手套箱。

隨著GMP的不斷發展，對潔凈室的要求就不斷提高，對于藥廠就有廣泛地應用的單向流，要不斷地進行設計和驗證，是一項長期的工作。

[1]中華人民共和國國家衛生和計劃生育委員會.中華人民共和國衛生部令第79號《藥品生產質量管理規范（2010年修訂）》[M].北京：中國標準出版社，2010.

[2]吳鵬.垂直單向流[J].黑龍江紡織，2009（2）：28-30.

[3]許鐘麟.空氣潔凈技術原理[M].上海：同濟大學出版社，1998.

[4]國家食品藥品監督管理局藥品認證管理中心.藥品GMP指南（廠房設施與設備）[M].北京：中國醫藥科技出版社，2011.

[5]電子工業部第十設計研究院.空氣調節設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1983.